Порошок титанового сплава: Свойства, производство и применение

Порошки титановых сплавов являются передовыми инженерными материалами, которые ценятся за высокое соотношение прочности и веса, коррозионную стойкость и биосовместимость. В этой статье представлен обзор порошковой металлургии титановых сплавов, методов производства, составов, механических свойств, областей применения в различных отраслях промышленности, а также список поставщиков.

Обзор порошка титанового сплава

Порошок титанового сплава состоит из титана, смешанного с другими металлическими элементами, такими как алюминий, ванадий, железо и молибден. Порошки производятся путем газового распыления и другими методами в мелкие сферические частицы.

Эти передовые порошки используются для производства высокоэффективных деталей методами порошковой металлургии, такими как литье металлов под давлением, аддитивное производство и горячее изостатическое прессование. Детали, изготовленные из порошков титановых сплавов, обладают лучшими механическими свойствами по сравнению с деталями, изготовленными из нелегированного титана.

Уникальные качества - высокая прочность, низкая плотность, коррозионная стойкость и биосовместимость - делают порошки титановых сплавов пригодными для использования в аэрокосмической, медицинской, автомобильной, химической и потребительской отраслях.

Преимущества порошка титанового сплава:

• Высокое соотношение прочности и массы
• Отличная коррозионная стойкость
• Биоинертные и биосовместимые
• Возможность изменять свойства с помощью композиций
• Возможность изготовления деталей в форме сетки
• Снижение затрат благодаря порошковой металлургии

Проблемы с порошком титанового сплава:

• Высокая стоимость материалов
• Проблемы реактивности при обращении и переработке
• Ограничения в достижимых свойствах
• Требования к контролируемым атмосферам
• Более низкая пластичность по сравнению с конкурирующими сплавами

Композиции из Порошок титанового сплава

Титановые сплавы делятся на альфа-, альфа-бета- и бета-категории в зависимости от микроструктуры, которую они образуют после обработки. Легирующие элементы, их концентрация и термомеханическая обработка определяют микроструктурные фазы.

Распространенные легирующие элементы в порошке титанового сплава:

• Алюминий (Al)
• Ванадий (V)
• Железо (Fe)
• Молибден (Mo)
• Олово (Sn)
• Цирконий (Zr)
• Ниобий (Nb)

Влияние легирующих элементов:

• Алюминий (Al) - повышает прочность и снижает плотность
• Ванадий (V) - укрепляет альфа- и бета-фазы
• Железо (Fe) - повышает прочность и пластичность
• Молибден (Mo) - усиливает сплав до 500°C
• Олово (Sn) - повышает сопротивление ползучести
• Цирконий (Zr) - измельчение зерен
• Ниобий (Nb) - предотвращает образование альфа-фракций

Распространенные порошковые составы титановых сплавов:

Сплав	Ключевые элементы	Фазы	Свойства
Ти-6Ал-4В (5 класс)	Al: 6%, V: 4%	Альфа + бета	Отличная прочность, умеренная пластичность, поддается термообработке, наиболее широко используемый сплав
Ti-6Al-7Nb	Al: 6%, Nb: 7%	Рядом с альфой	Высокая прочность на разрыв, биоинертен, используется в медицинских имплантатах
Ti-10V-2Fe-3Al	V: 10%, Fe: 2%, Al: 3%	Бета	Самый высокопрочный титановый сплав, низкая пластичность, трудно поддается обработке
Ti-13V-11Cr-3Al	V: 13%, Cr: 11%, Al: 3%	Альфа + бета	Отличная горячая твердость и сопротивление ползучести до 400°C

Влияние состава на свойства:

• Увеличение содержания Al повышает прочность на разрыв и снижает плотность
• Добавление V, Mo, Cr повышает высокотемпературную прочность
• Добавление Fe увеличивает прочность на разрыв при комнатной температуре
• Sn улучшает сопротивление ползучести сплава
• Zr и Nb способствуют управлению структурой зерна

Методы производства порошка титанового сплава

Порошок титанового сплава изготавливается с помощью современных методов, которые позволяют получить мелкие сферические порошки из расплавленных сплавов. Наиболее распространенные технологии производства включают газовое распыление, процесс плазменного вращающегося электрода (PREP) и плазменное распыление.

Газовая атомизация

• Струи инертного газа под высоким давлением расщепляют поток расплавленного металла на мелкие капли
• Генерирует порошки размером от 10 до 250 микрон
• Наиболее широко используемый и экономичный метод
• Порошки имеют неправильную форму и содержат спутники

Плазменный вращающийся электродный процесс (PREP)

• Вращающийся электрод дезинтегрирует сплав с помощью плазменных горелок
• Получает очень сферические и гладкие порошки
• Отличный контроль над размерами и распределением порошка
• Используется для реактивных сплавов и сплавов с высокой температурой плавления

Плазменное распыление

• Электрическая дуга или плазма нагревает и распыляет сплав на капли
• Получение высокосферических порошков с хорошей текучестью
• Подходит для мелкосерийного производства тонких порошков менее 63 микрон

Вторичная обработка

Атомизированные порошки подвергаются вторичной обработке для улучшения характеристик порошка:

• Просеивание для получения тонкого гранулометрического состава
• Кондиционирование для удаления спутников и минимизации агломерации
• Смешивание порошков элементов или основных сплавов для получения целевых составов

Соображения по обращению

• Порошки титановых сплавов пирофорны (огнеопасны) и требуют контролируемой среды с уровнем кислорода и влаги ниже 50 ppm во время хранения, обработки и обращения. В качестве инертного газа для покрытия обычно используется аргон.

Механические свойства порошка титанового сплава

Свойства при растяжении

Титановые сплавы демонстрируют более высокие показатели прочности на разрыв по сравнению с нелегированным титаном, в зависимости от их состава и истории обработки.

Сплав	Предельная прочность на разрыв (МПа)	Предел текучести (МПа)	Удлинение (%)
CP Titanium Grade 1	240-550	170-480	20-25
Ti-6Al-4V ELI Grade 23	860-965	795-875	10-15
Ti-6Al-7Nb марка 26	900-1000	825-900	15-20
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn Grade 18	900-1000	800-900	8-14

Влияние легирующих элементов:

• Алюминий повышает прочность благодаря укреплению твердым раствором
• Добавки V, Mo, Nb, Ta повышают высокотемпературную прочность
• Железо повышает прочность на разрыв при комнатной температуре

Усталость и свойства разрушения

Усталостная прочность и вязкость разрушения снижаются при увеличении концентрации бета-стабилизаторов, таких как молибден и ванадий. Термомеханическая обработка может быть использована для оптимизации сочетания прочности, пластичности, усталости и свойств разрушения.

Промышленное применение Порошок титанового сплава

Превосходная прочность, коррозионная стойкость, твердость и биосовместимость титановых сплавов позволяют использовать их в критически важных областях промышленности.

Аэрокосмическая промышленность

• Гидравлические системы летательных аппаратов
• Баки для ракетного топлива космических аппаратов
• Детали планера и шасси
• Детали двигателя, такие как лопасти, диски и корпуса компрессора

Медицинская и стоматологическая промышленность

• Ортопедические имплантаты, такие как тазобедренные суставы, костные пластины и винты
• Хирургические инструменты и биоимплантаты
• Ортодонтические дуги
• Зубные имплантаты

Автомобильная промышленность

• Шатуны, впускные клапаны, фиксаторы пружин клапанов
• Компоненты для мотоциклов и гоночных автомобилей
• Детали выхлопной системы

Химическая промышленность

• Теплообменники, конденсаторы и трубопроводы
• Технологическое оборудование для обеспечения коррозионной стойкости
• Оборудование для опреснения и контроля загрязнения

Потребительская индустрия

• Часы и ювелирные изделия
• Спортивное оборудование, например, велосипедные рамы, клюшки для гольфа, клюшки для лакросса
• Оправы для очков, пирсинг на теле и кольца

Другие приложения

• Морские - пропеллеры, купола гидролокаторов, опреснительные установки
• Энергетика - компоненты паровых и газовых турбин
• Архитектура - Декоративные фасадные панели, перила, крыши

Превосходное соотношение прочности и веса делает титановые сплавы подходящими для замены стальных и алюминиевых компонентов во всех отраслях промышленности.

Спецификации и стандарты

Порошки титановых сплавов производятся в соответствии со стандартами ASTM, которые определяют допустимые уровни содержания кислорода, азота, углерода и железа для различных марок.

Стандарт	Область применения
ASTM B348	Технические условия на прутки и заготовки из титана и титановых сплавов
ASTM B939	Методы испытаний порошков титановых сплавов
АСТМ Ф67	Спецификация нелегированных титановых прутков для хирургических имплантатов
ASTM F1472	Технические условия на деформируемый титан 6Al-4V ELI для хирургических имплантатов

Поставщики порошка титанового сплава

Порошки титановых сплавов поставляются производителями специализированных металлических порошков, которые выпускают различные марки в соответствии с отраслевыми задачами.

Основные производители порошка из титанового сплава:

Компания	Производственная мощность	Сплавы
АМЕТЕК	5 000 тонн в год	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13V-11Cr-3Al
AP&C	7 500 тонн в год	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-555, Ti-1023
Tekna	3 500 тонн в год	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb
Столярные технологии	3 000 тонн в год	Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al
Praxair	4 000 тонн в год	CP Ti, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb

Основные дистрибьюторы порошка титанового сплава:

• Atlantic Equipment Engineers
• Микронные металлы
• TLS Technik
• Глобальный титан

Анализ затрат

Порошки титановых сплавов варьируются между $$$/кг до $$$$/кг в зависимости от состава, способа производства, формы, распределения по размерам, качества, объема заказа и географического региона.

Как правило, порошки, изготовленные вакуумными методами (плазменное распыление, PREP), стоят дороже, чем порошки, распыляемые в инертных газах. Тонкие медицинские порошки с размером менее 45 микрон стоят дороже.

Возможности экономии средств:

• Используйте менее дорогие сплавы Ti-6Al-4V вместо сплавов премиум-класса
• Замените титан на нержавеющую сталь или алюминиевые сплавы
• Использование аддитивного производства в сравнении с обработкой на станках с ЧПУ
• Покупайте оптом, чтобы получить скидки на количество

Сравнение марок титана

Сплавы Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb:

Недвижимость	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb
Прочность на разрыв	895 МПа	980 МПа
Предел текучести	825 МПа	900 МПа
Плотность	4,43 г/куб. см	4,52 г/куб. см
Биоинертность	Умеренный	Высокая
Стоимость	Нижний	Выше

Ti-6Al-4V в сравнении с титаном CP 1:

• Ti-6Al-4V имеет в 2 раза более высокие пределы прочности и текучести
• CP Grade 1 обладает лучшей пластичностью - 25% удлинения против 10-15%
• Ti-6Al-4V на 45% прочнее по весу, чем титан CP
• Титан CP более пластичен и легче поддается обработке, чем сплав

Газовые и плазменные методы распыления:

Недвижимость	Газовая атомизация	Плазменное распыление
Форма частиц	Нерегулярный со спутниками	Высокая сферичность
Кислородный подборщик	Умеренный	Снижение уровня кислорода
Стоимость	Нижний	Выше
Производительность	Выше	Нижний

Методы обработки для Порошок титанового сплава

Три основных способа обработки порошка для производства титановых компонентов::

Литье металлов под давлением (MIM)

• Крупносерийное производство мелких сложных деталей
• Комбинация литья пластмассы под давлением и спекания металлического порошка
• Превосходная точность размеров и чистота поверхности
• Аэрокосмическая и медицинская техника

Аддитивное производство (AM)

• Прямая 3D-печать компонентов по данным САПР
• Свобода проектирования для сложных, легких геометрических форм
• Широко используются титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V
• Используется во всех отраслях промышленности - медицинской, аэрокосмической, автомобильной

Горячее изостатическое прессование (HIP)

• Консолидация инкапсулированных порошков с помощью тепла и изостатического давления
• Достижение высокой плотности в сложных формах
• Низкая стоимость по сравнению с обработкой цельного металла
• Используется для производства авиационных и медицинских компонентов

Вопросы и ответы

Каковы различные марки порошка титанового сплава?

Наиболее распространенные марки титановых сплавов включают Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al и Ti-13V-11Cr-3Al. Номер марки указывает на состав - например, Ti-6Al-4V содержит 6% алюминия и 4% ванадия.

Почему Ti-6Al-4V является самым популярным титановым сплавом?

Ti-6Al-4V предлагает наилучшее сочетание малого веса, коррозионной стойкости, простоты изготовления и стоимости. Он обладает превосходной прочностью в состоянии альфа + бета и может подвергаться дальнейшей термообработке. На его долю приходится более 50% от общего объема использования титана.

Какие размеры частиц доступны для порошков титановых сплавов?

Порошки титановых сплавов для аддитивного производства варьируются от 15 до 45 микрон. Более мелкие порошки размером менее 25 микрон обеспечивают более высокое разрешение, но стоят дороже. Для MIM-применений предпочтительны порошки большего размера от 45 до 250 микрон.

Что вызывает возгорание титанового порошка?

Титановые порошки обладают высоким сродством к кислороду и могут самопроизвольно воспламеняться при контакте с воздухом. Пирофорная природа требует использования инертных газов при обращении, хранении и обработке. Даже влага и остатки масла могут стать причиной пожара.

Почему порошок из титанового сплава стоит дорого?

Производство порошка из титанового сплава включает в себя сложные процессы вакуумной плавки в инертной атмосфере, что делает его более дорогостоящим по сравнению со сталями и алюминиевыми сплавами. Кроме того, высокая стоимость сырья, энергопотребление, образование отходов и низкая пригодность порошка к повторному использованию обусловливают высокую отпускную цену.

В каких отраслях промышленности используется порошок титанового сплава?

Основные отрасли применения - аэрокосмическая, медицинская и стоматологическая, автомобильная, морская, спортивное оборудование и химическая обработка благодаря высокой прочности, малому весу и коррозионной стойкости. Биосовместимость позволяет использовать его в хирургических имплантатах и ортодонтических проволоках.

узнать больше о процессах 3D-печати